KR19990032740A - 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기장 차폐장치, 특히 비교적 넓은 면적을 갖는 탄소 발열체나 발열 콘크리트(이하, '탄소 발열체'라 약칭한다)에서 발생되는 전기장 및 자기장을 소멸시켜 외부로 방출되지 않게 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 탄소 발열체를 상,하층으로 분리함과 아울러 이들 상,하층 탄소 발열체 사이에 절연층을 개재하여 적층하고, 상,하층 탄소 발열체의 전원을 직렬로 연결하여 상층 탄소 발열체와 하층 탄소 발열체에 서로 다른 방향의 전류가 흐르도록 함으로써 각각의 탄소 발열체에서 발생되는 전기장 및 자기장이 상쇄 소멸하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치

본 발명은 전자기장 차폐장치, 특히 비교적 넓은 면적을 갖는 탄소 발열체나 발열 콘크리트(이하, '탄소 발열체'라 약칭한다)에서 발생되는 전기장 및 자기장을 소멸시켜 외부로 방출되지 않게 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치에 관한 것이다.

일반적으로, 움직이는 전하는 전기장 및 자기장, 즉 전자파를 만들어 외부로 방출시키고 있다. 이와 같이 전자파를 방출하는 것에는 전자렌지를 비롯하여 각종 모니터, 휴대폰 등이 있으며, 또한 난방, 동파 방지의 해빙, 식품의 숙성, 화학공장의 발열장치 및 의료기기 등에 널리 사용되는 넓은 면적을 갖는 탄소 계열의 발열체 또는 탄소 계열의 발열 콘크리트 등에서도 전자파가 발생되고 있는 것으로 알려지고 있다.

상기와 같이 탄소 계열의 발열체에서 발생되는 전자기장은 일반 케이블 히터에 비교하여 많은 양의 전자기장이 방출됨으로써 주변의 전자기기 등에 오동작을 일으킴과 동시에 인체에 해를 끼치게 되므로 이를 차폐할 필요가 있다.

종래에는 탄소 계열의 발열체위에 도전성 물질을 접촉시키고, 이를 접지시킴으로써 탄소 계열의 발열체에서 발생되는 비교적 많은 양의 전자기장을 소멸시키고 있었다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 전자기장 차폐장치는, 전기장은 어느정도 소멸시킬 수 있으나, 자기장은 소멸시키지 못함으로써 자기장의 누설로 인한 사용자의 피로 및 신체의 이상을 가져올 뿐만 아니라 주변 전자기기의 오동작을 야기시키는 등 문제시 되고 있고, 이로 인해 비행장의 활주로나 로봇을 움직이는 공장에서는 탄소 계열의 발열체를 절대로 사용할 수 없게 하는 등 전자파로 인한 문제의 심각성은 극에 달하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 비교적 넓은 면적을 갖는 탄소 계열의 발열체에서 방출되는 전기장 및 자기장을 효과적으로 소멸 및/또는 차단시킴으로써 전자기파로 인한 전술한 바와 같은 제반 문제를 해소할 수 있는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기장 차폐장치의 구조를 보인 모식도.

도2는 도1의 사시도.

도3은 도2에 있어서의 전원 인가 방식을 나타낸 회로도.

도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 차폐장치의 구조를 보인 모식도.

도5는 도4의 사시도.

도6은 도5에 있어서의 전원 인가 방식을 나타낸 회로도.

도7은 본 발명의 제3실시예에 따른 전자기장 차폐장치의 구조를 보인 모식도.

도8은 도7의 사시도.

도9는 도8에 있어서의 전원 인가 방식을 나타낸 회로도.

도10 내지 도19는 본 발명에 의한 전자기장 차폐장치의 작용 원리를 설명하기 위한 도면으로써,

도10a 및 도10b는 실드판에 의한 전자파의 차폐 효과를 나타내는 도면.

도11은 자속 변화에 따른 실드판 내에서의 작용을 나타내는 도면.

도12는 진행중인 전자파가 실드판에 부딪혔을 때 발생되는 현상을 나타내는 도면.

도13a 및 도 13b는 실드판 내로 전파하는 전자파의 깊이에 따른 강도 변화를 나타낸 그래프.

도14는 전자파의 침투 깊이에 대한 두께의 변화에 따른 재반사 보정의 변화를 나타낸 그래프.

도15는 동축의 효과를 나타낸 도면.

도16a 및 도16b는 동축 케이블의 인덕턴스와 주파수 특성을 나타낸 회로도 및 그래프.

도17a 및 도17b는 동축 케이블 내의 잡음 전류의 흐름을 나타낸 회로도.

도18과 도19a 및 도19b는 트위스트 페어에 의한 전자 유도의 감소 효과를 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,1' : 탄소 발열체 2,2',2" : 절연층

3,6,8 : 전기장 차폐층 4 : 단열층

7,7' : 실드층 10 : 전원

11 : 전원 연결선 12 : 회로 연결선

상기와 같은 본 발명의 목적은 탄소 발열체를 상,하층으로 분리함과 아울러 이들 상,하층 탄소 발열체 사이에 절연층을 개재하여 적층하고, 상,하층 탄소 발열체의 전원을 직렬로 연결하여 상층 탄소 발열체와 하층 탄소 발열체에 서로 다른 방향의 전류가 흐르도록 함으로써 각각의 탄소 발열체에서 발생되는 전기장 및 자기장이 상쇄 소멸하도록 구성한 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치를 제공하는 것에 의하여 달성될 수도 있다.

또한 본 발명의 목적은, 탄소 발열체의 상,하부에 절연층을 각각 설치하여 절연시키고, 절연된 탄소 발열체의 상부에 고투자율 물질로 이루어지는 자기장 차폐층을 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치를 제공하는 것에 의하여 달성될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은, 탄소 발열체의 상,하부에 절연층을 개재하여 도전성 물질로 이루어지는 실드층을 각각 설치하고, 상기 상,하 실드층과 탄소 발열체에 전원을 연결하여 탄소 발열체에서 발생하는 자기장을 차폐하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치를 제공하는 것에 의하여 달성될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.

첨부한 도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기장 차폐장치의 구조를 보인 모식도이고, 도2는 도1의 사시도이며, 도3은 도2에 있어서의 전원 인가방식을 나타낸 회로도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 전자기장 차폐장치는, 탄소 발열체가 상층 탄소 발열체(1)와 하층 탄소 발열체(1')로 분리, 형성되어 있으며, 이와 같이 분리된 탄소 발열체(1)(1')의 상,하부에는 절연층(2)(2')(2")이 부착되어 탄소 발열체(1)(1')를 절연시키고 있다.

또한, 상기 탄소 발열체(1)(1')에는 전원(10)이 연결되어 있는 바, 도면에서와 같이, 직렬로 연결되어 있다. 따라서 상층부의 탄소 발열체(1)와 하층부의 탄소 발열체(1')에 전류가 각각 서로 다른 방향으로 흐르게 되므로 상,하층부의 탄소 발열체(1)(1')에서 각각 발생되는 자기장은 서로 상쇄되어, 소멸되게 된다. 여기서 상기한 전원(10) 연결용 전선(11)은 제2차 전자기장이 발생되는 것을 방지할 수 있는 트위스트 페어 선으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 상층부 탄소 발열체(1)의 절연층(2) 위에는 도전성 물질로 이루어지는 전기장 차폐층(3)이 설치되어 외부로 방출되는 전기장을 흡수할 수 있도록 되어 있으며, 이 전기장 차폐층(3)의 일측에는 접지단자(3a)가 형성되어 접지되어 있다. 이 때 접지 시설이 되어 있는 곳이면, 도면에서와 같이 쉽게 접지시킬 수 있으나, 접지 시설이 없는 곳에서는 도시되지는 않았으나, 자동접지회로를 사용하여 접지시킬 수 있다. 상기한 바와 같은 자동접지회로의 예로써, 본 출원인에 의해 선출원된 특허 출원 제 97-15142호를 들 수 있다. 상기 접지회로 연결선(12) 또한 트위스트 페어 선이 이용된다.

도면에서 미설명 부호 4는 단열층을 보인 것이다.

이와 같이된 본 발명에 의한 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치에서 자기장은 상,하층부의 탄소 발열체에 흐르는 전류의 서로 다른 방향에 의해 서로 상쇄되면서 소멸되고, 전기장은 상부의 전기장 차폐층에서 흡수된 후, 접지부를 통하여 소멸되게 된다.

첨부한 도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 차폐장치의 구조를 보인 모식도이고, 도5는 도4의 사시도이며, 도6은 도5에 있어서의 전원 인가방식을 나타낸 회로도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기장 차폐장치는, 탄소 발열체(1)의 상,하부에 절연층(2)(2')이 형성되어 탄소 발열체(1)를 절연시키고 있으며, 이와 같이 절연된 탄소 발열체(1)의 상부에는 고투자율 물질로 이루어지는 전기장 차폐층(6)이 형성되어 있고, 하부에는 단열층(4)이 형성되어 있다.

상기 탄소 발열체(1)에는 전원(10)이 병렬로 연결되어 있고, 상기 전기장 차폐층(6)은 그의 일측에 마련된 접지단자(6a)가 자동접지회로(도시되지 않음) 등에 접속되어 있다.

따라서, 탄소 발열체(1)에서 발생되는 자기장 및 전기장을 흡수하여 소멸시킬 수 있다. 여기서도 전원 연결선(11)이나 회로 연결선(12)들은 제1실시예의 경우와 같이, 제2차 전자기장의 발생을 방지할 수 있는 트위스트 페어 선으로 되어 있다.

이와 같은 제2실시예에서는 탄소 발열체(1)에서 발생되는 자기장 및 전기장이 상부의 고투자율 물질로 이루어지는 전기장 차폐층(6)에서 흡수된 후, 접지회로를 통하여 바이패쓰되어 소멸되게 된다.

한편, 첨부한 도7은 본 발명의 제3실시예에 따른 전자기장 차폐장치의 구조를 보인 모식도이고, 도8은 도7의 사시도이며, 도9는 도8에 있어서의 전원 인가 방식을 나타낸 회로도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 전자기장 차폐장장치는, 탄소 발열체(1)의 상,하부에 도전성 물질로 이루어지는 실드층(7)(7')이 절연층(2)(2')의 개재하에 설치되어 있고, 상기 탄소 발열체(1)와 그 상,하부의 실드층(7)(7')에 전원(10)이 연결되어 전원을 각각 공급하도록 되어 있다.

또한, 상기 상부 실드층(7)의 상부에는 절연층(2")의 개재하에 도전성 물질로 이루어지는 전기장 차폐층(8)이 설치되어 있으며, 하부 실드층(7')의 하부에는 절연층(2")의 개재하에 단열층(4)이 설치되어 있다.

상기 전기장 차폐층(8)의 일측에는 접지단자(8a)가 설치되어 있으며, 이 접지단자(8a)는 제1 및 제2실시예에서 언급한 자동접지회로 등에 연결되어 있다. 따라서 전기장 차폐층(8)에서 흡수되는 전기장 및 자기장은 접지회로를 통하여 지반으로 흘로 소멸되게 된다.

이상의 실시예에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 전자기장 차폐장치는 비교적 넓은 면적을 가지는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트에서 발생하는 자기장 및 전기장을 효과적으로 차폐할 수 있는 바, 이러한 본 발명에 의한 전자기장 차폐장치의 원리를 첨부한 도10 내지 도19를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 금속관 형태의 전자파 차폐장치의 차폐 효과를 설명하기 위하여, 공간을 진행해 온 전자파가 충분히 크면서 두께가 균일한 매체인 실드판에 부딪혔다고 가정한다.

일반적으로, 도10a와 같이, 자석과 같은 자기장 근원(200)에서 발생되는 자기장 내에 철이나 니켈 등의 자성체(210)를 두게 되면, 그 자성체의 투자율이 높기 때문에 자속(M)은 자성체 안을 보다 많이 통과하게 된다. 따라서, 자성체(21)는 자화된다.

그러나, 이 자성체가 자화되어서는 곤란한 경우, 도10b와 같이 자기장 근원(200)과 자성체(210) 사이를 고투자율의 실드판(220)으로 차단하면, 자속(M)은 상기 고투자율 실드판(220)의 내부를 통과하게 되고 자성체(210)가 자화되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 상기 실드판의 두께가 얇거나 투자율이 낮은 경우, 자속의 일부는 상기 실드판을 통과하여 주변의 자성체(210)에 영향을 주게 되므로 어느 정도 이상의 두께가 요구된다.

전자 기기 등의 잡음의 원인이 되는 자기장은 자석과 같이 자력이 일정한 영구 자석에 의한 것이 아니고, 변압기 등과 같이 자속이 변하는 누설 자속에 의한 것이다.

따라서, 실드판의 두께가 어느 정도 유지되면, 도11에 나타낸 바와 같이, 실드판(220)에는 자속(M)의 변화에 따른 와류 전류(I_M)가 흐르게 되고, 전자 기기는 이에 영향을 받는다고 여겨진다. 이와 같은 와류 전류는 실드판 내에서 에너지 소비를 발생하며, 대전력 고주파 장치에서는 발열하는 것도 있다.

그러나, 상기 와류 전류(I_M)는 실드판(220)을 통과하는 자속과 반대 방향의 자속을 발생하기 때문에 서로 상쇄되어 차폐 효과를 갖는다. 따라서, 전자 기기나 전기용품의 전자파 발생원 주변에 고투자율의 강자성체 물질이나 퍼멀로이 등의 실드판을 설치하여, 상기와 같은 원리를 이용하여 자기장을 차폐할 수 있다.

상기 실드판에 부딪힌 전자파의 형태는 도12에 나타낸 바와 같이, 세 가지 형태로 정의할 수 있다.

첫째는, 진행된 전자파(EM)가 실드판(220)의 경계에서 반사(r)되는 성분으로 이것을 반사 손실(R)이라고 한다.

둘째는, 전자파가 실드판(220) 내부로 들어간 열로 흡수(a)되는 성분으로 흡수 손실(A)이라 한다.

셋째는, 실드판(220)내로 들어가 전자파가 실드판의 경계에 부딪혀서 다시 반사를 일으켜, 실드판 내에서 반복적으로 반사되다가 실드판을 빠져나가는 성분으로 재반사 보정 성분(B)이라 한다.

여기서, 재반사 보정 성분과 반사 손실은 그 합계를 반사 손실로 간주하는 것이 편리하다. 그리고, 도12에 나타낸 바와 같이 재반사 보정 성분은 실드판을 관통하는 성분을 구하고 있으므로, 이것은 마이너스 손실, 즉 손실이 아니고 이득이 된다.

따라서, 상기 실드판에 의한 전자파의 차폐 효과(SE)는 다음과 같다.

SE = A + R + B ················· (1)

여기서, 상기 식의 모든 단위는 dB이다.

(흡수 손실)

흡수 손실(A)은, 전자파가 실드판과 같은 매체로 진행하게 되면 주변에 전류가 발생되고, 이는 매체의 전기 저항에 의해서 열로 바뀌어 형성된다. 따라서, 이와 같이 매체에 흡수되어 열로 바뀐 손실분만큼 전자파의 강도는 약해진다. 또한, 매체가 균일하다고 가정하는 경우, 상기 흡수 손실은 단위 두께에 대해 일정한 비율로 일어나므로, 도13a와 같이, 전자파의 강도는 전파하는 거리, 또는 깊이에 대해 지수 함수적으로 감쇠한다. 여기서, 초기 전자파 강도의 (1/ e)만큼 감쇠되는 두께를 s로 정의한다.

따라서, 매체의 두께 t와 전기장 E 및 자기장 H의 강도 관계는 다음과 같다.

여기서, E₀, H₀: 매체 내로 들어가기 전의 초기 전기장과 자기장의 강도이다.

침투 깊이 s에서 전자파의 강도는 초기의 (1/e), 즉 37%로 약 9dB만큼 감쇠된다. 따라서, 도13b에서와 같이, 침투 깊이 s의 2배인 2s는 약 18dB로 86.3%, 3s는 26dB로 95.0% 감쇠된다.

따라서, 전자파를 충분히 차폐하기 위해서는 다음의 조건을 만족해야 한다.

매체의 두께 t > 3s ··········· (2.3)

구체적으로, 침투 깊이 s는 다음과 같다.

여기서, f : 전자파의 주파수(㎒),

μ_r: 공기를 1로한 비투자율,

σ_r: 구리를 1로한 비전도도이다.

상기 식을 보면, 전자파의 흡수체로서의 실드 효과는 매체의 재료가 같으면 주파수의 평방근에 반비례하고, 일정 주파수에서는 매체의 투자율과 전도도의 곱의 평방근에 반비례한다.

따라서, 침투 깊이를 사용하여 흡수 손실 A를 나타내면 다음과 같다.

상기 식에 (2.4)식을 대입하면,

가 된다.

(반사 손실)

다음으로, 반사 손실(R)에 대해 고려해 보자

진행해 가는 전자파가 매체의 경계에 도달하는 경우, 예를 들어 전자파가 공기 중에서 구리판으로 들어가는 경우, 두 매체에 임피던스 차가 존재하면, 그 경계에서 일부의 전자파가 반사된다. 즉, 전자파의 일부가 매체 내로 들어오지 않기 때문에 전자파의 손실이 발생한다. 따라서, 매체에 의한 반사 손실(R)을 구하려면 매체 바깥쪽 공간의 임피던스와 실드판과 같은 매체의 임피던스를 알아야 한다. 공간 임피던스는 전자파의 발생원 근처에서는 발생원의 임피던스에 근접하고, 발생원으로 멀어짐에 따라 공간의 임피던스(Z_n)인 120π(377)를 갖는다.

이를 좀더 정량적으로 수식화하여 보면,

여기서, μ : 매질의 투자율 (=μ₀·μ_r)

μ₀: 공기 또는 구리의 투자율 4π·10^-7henrys/m

: 매질의 유전율 (= ₀· _r)

₀: 공기의 유전율 1/36·10⁹farad/m

일반적으로, 전자파의 발생원으로부터 영향을 받지 않을 정도로 떨어진 곳의 매체의 임피던스(Z_i)는 다음과 같다.

여기서, ω : 각주파수 rad/sec (2πf),

σ : 매질의 전도도.

공기나 절연물의 전도도(σ)는 0에 가까우며, 특히 σ≪ω인 경우 상기식 (3.1)을 얻을 수 있다.

차폐 수단으로 사용되는 매체가 금속인 경우, 도전율이 크므로 σ≫ω이고, 두께가 충분히 유지(t>3s)된다면 매체의 임피던스(Z_m)는 하기식과 같다.

여기에, 상기식 (3.1)을 이용하면,

따라서, 반사 손실(R)은 공간의 임피던스(Z_i)와 매체의 임피던스(Z_m)를 이용하여, 평면파의 경우 하기식과 같다.

상기식으로부터, 주파수가 f(㎒)이고, 거리가 R(m)인 곳에서의 니어 필드(Near Field)의 전기장의 반사 손실(R_E)과 자기장의 반사 손실(R_M)은 다음과 같다.

따라서, 평면파에 대한 반사 손실은,

로 나타낼 수 있다.

(재반사 보정 성분)

다음은, 실드판과 같은 매체를 통과하여 나오는 성분을 대상으로 한 재반사 보정 성분(B)에 대해서 고려해 보자.

도12에 도시된 바와 같이, 전자파의 재반사(R_B) 성분은 항상 존재한다. 그러나, 매체 내부의 흡수 손실(A)이 큰 경우 재반사 성분은 무시될 수 있다. 또한, 전기장에 대해서는 최초의 반사 손실이 상당히 커서 매체로 들어오는 양이 적기 때문에 재반사 성분을 무시할 수 있다.

따라서, 재반사 보정 성분(B)은 매체의 두께(t)가 침투 깊이(s)보다 충분히 두껍지 않은 경우의 저주파의 자기장만 계산하면 된다. 이와 같은 조건하에서 재반사 보정 성분(B)은 차폐 효과(SE)를 뺄셈하는 모양으로 되어,

이 된다. 계산 결과는 도14에 나타나 있다.

(매체의 선택)

전자파를 차폐하기 위한 매체의 설계시 구멍이나 이은 부분을 최소화하도록 설계하는 것이 중요하다.

매체는 전자파의 특성에 따라 자성재나 비자성재를 선택한다. 예를 들어, 차폐해야할 대상이 전기장이나 고주파의 평면파인 경우, 구리나 알루미늄과 같이 전도도가 큰 비자성재를 사용한다. 이 경우, 반사 손실이 매우 크므로 반사 손실만으로도 충분히 차폐 효과를 갖는다. 반사 손실은 두 매체의 임피던스 차가 클수록 증가하므로, 전도도가 큰 재료는 임피던스를 낮게 할 수 있어 유리하다. 매체의 두께를 증가시킴에 따라 차폐 효과도 증가하지만, 구리의 경우 1/1000mm 두께에서 -80dB나 되므로 박판으로도 충분한 차폐 효과를 얻을 수 있다.

그러나, 차폐해야 할 주요 대상이 자기장인 경우, 저주파에서 자기장의 반사 손실은 무시해도 좋을만큼 작지만 흡수 손실은 주요한 요소이다. 흡수 손실은 상기에서 언급한 식(2.6)에서 알 수 있듯이, 같은 두께에 대해 투자율과 전도도의 곱이 큰 재료일수록 효과적으로 차폐할 수 있다.

예를 들어, 100Hz의 자기장에 대해 구리나 알루미늄보다 철이 동일 두께에 대해 100배나 효과가 있고, 퍼멀로이는 철에 대해 10배의 효과가 있다.

일반적으로, 자성재의 투자율은 고주파의 경우 감소한다. 따라서, 저주파의 자기장을 차폐하기 위해서는 고투자율의 자성재가 효과적이지만, 고주파의 경우 구리나 알루미늄과 같은 고전도도의 재료를 사용하여 이들을 효과적으로 차폐할 수 있다.

다음으로, 직렬전원 공급 방식에 의한 자기장 차폐 이론과 트위스트 페어에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 심선과 실드 사이의 상호 인덕턴스 M을 구한다. 실드측을 흐르는 전류 Is에 의해서 생기는 자속을 φs라 하면 실드의 자기 인덕턴스 Ls는

Ls=φs/Is ·················· (5.1)

또, 심선에 결합하는 자속을 φM으로 하면 실드와 심선 사이의 상호 인덕턴스 M은

M=φM/Is ·················· (5.2)

동축 케이블에서는 도15와 같이, 실드를 흐르는 전류에 의해서 생기는 자속은 반드시 그 심선도 감싸 버리게 되기 때문에 상술한 (5.1) 및 (5.2)식의 φs와 φM은 동일하게 된다. 즉

M=L ·················· (5.3)

심선과 실드 사이의 상호 인덕턴스는 실드의 자기 인덕턴스와 같게 된다.

다음에 동축 케이블의 또 하나의 특성으로써 실드측에 흐르는 전류, 이 경우 잡음 전류가 어느 정도 심선에 결합되는 가를 보기로 하자.

도16a와 같은 계에서 실드의 인덕턴스를 Ls, 그 저항 성분을 Rs로 할 때, 여기에 신호 Vs를 가하여 전류 Is가 흘렀다고 하고, 상호 인덕턴스 M을 갖는 심선에 유기되는 전압 V1을 ω=2π로 두면

V1=jωM Is ················ (5.4)

이때 실드측으로 흐르는 전류 Is는 그 임피던스와 저항 성분에서

Is=Vs/(jωLs＋Rs) ············ (5.5)

이것을 (5.4)식에 넣으면 구하는 실드와 심선과의 결합상황, 즉 V1과 Vs의 비는

V1=jωM Vs/(jωLs + Rs) ··········· (5.6)

이것을 보드 선도 중에서 볼 수 있는 바와 같이 가로축을 주파수의 대수, 세로축을 전압비의 대수라는 식으로 양축을 log 눈금으로 나타내면 도16b와 같이 된다.

여기서, 이상하게 들릴지 모르지만 어느 좋은 동축 케이블은, 실은 주파수가 낮은 쪽, 예를 들면 직류에서는 동축 케이블이 아니다. 그러면 어느 주파수에서부터 동축이라고 간주할 수 있느냐 하면, (5.6)식의 1/2가 되는 점, 즉 도16b에서 3dB 다운되는 주파수c이며, 이것을 임계 주파수라고 부른다. 이 임계 주파수는 다음 식과 같다.

c=Rs/(2πLs) ·············· (5.7)

이 값은 실제의 동축 케이블, 예를 들면 RG58, 59는 대체로 2KHz가 된다. 이 결과로 말할 수 있는 것은 통상의 동축 케이블에서는 실드로 흐르는 잡음 전류는 2KHz 정도로 반이지만, 수 KHz 위에서는 거의 그 전부의 전압을 심선에 유기한다는 것을 알 수 있다.

위에서 설명한 동축 케이블의 두 가지 성질은 그것이 동축 케이블의 특성을 나타내는 동시에 몇가지 오해의 원인이 된다. 그래서 이야기가 탈선되는 점은 있지만 케이블 드라이브의 비결에로 이어지는 이 부분을 좀더 자세하게 설명해 두기로 한다. 여기서 특히 다루고자 하는 중요한 포인트는

(1) 동축 케이블의 실드는 자기 실드가 아니고 정전 실드에 지나지 않는다. 그것이 전자 유도를 방지하는 효과를 갖는 것은 실드에 심선과 반대 방향의 전류를 흘려서 발생하는 자계를 상쇄하기 때문이다. 외부로부터 간섭하는 자계에 대하여 케이블이 정합되어 있는 한 같은 효과를 갖는다.

(2) 임계 주파수보다 높은 주파수에서는 그 신호가 심선과 실드 사이에 가해진 경우, 예를 들면 실드 양단이 저항값 0인 그라운드 플레인에 접속되어 있더라도 심선을 흐른 신호 전류의 귀로는 접지를 통하지 않고 Ls에 생기는 전압에 끌려서 실드를 흐른다. 따라서 동축 케이블에 생기는 자속은 상쇄되고 실드로 효과를 발휘하며 침입도 없다.(도17a 참조)

(3) 그러나, 실드와 그라운드 플레인으로 이루어진 루프에 잡음 자계가 쇄교하여 여기에 잡음 전류가 흐르면, 그 주파수에 따라서는 (5.6)식에 따라서 심선에 결합한다(도17b 참조)

동축 케이블이냐 실드선이냐의 테마를 여기에 들어 보기로 하자.

동축 케이블을 써도 그것은 선재가 동축 케이블일 뿐이고 실제로 동축 케이블로서 작용하고 있는지 어떤지 의심스럽다. 동축 케이블로서 작용시키려면,

(1) 종단 정합 : 케이블의 수단측이 케이블과 같은 임피던스에 접속되어 있을 것과, (2) 왕복(심선과 외피)의 전류가 같고 방향이 반대일 것의 두가지 조건이 필요하다.

전자유도와 정전유도의 특성을 한마디로 정리하면 정전유도는 임피던스가 높은 회로가 영향을 받기 쉬운데 대하여, 전자유도는 임피던스가 낮은 계쪽의 영향을 받는다는 특징이 있다.

한편, 전자유도를 줄이는 가장 쉬운 방법은 케이블에 트위스트 페어를 사용하는 것이다. 꼬면 왜 전자유도가 적어지는가는 도18로부터 알 수 있다.

도18에서는, 방해를 주는 자계는 지면에 수직으로 고르게 반대쪽을 향해서 통하고 있다고 가정하고 있다. A부분에서는 오른나사의 법칙에 따라서 화살표 방향에 잡음에 의한 기전력은 상쇄된다. 만일 이 두 줄의 전선이 평형되어 쓰이고 있다면, 자속에 의해서 발생되는 잡음 전압은 완전히 상쇄되어 잡음에 의한 오동작이나 장해를 방지할 수 있다.

이러한 결과가 얻어지기 위해서는 몇가지 조건이 필요하다. 가령 A에서 발생하는 기전력과 B에서 발생하는 기전력이 같지 않는다고 하면, 결과는 완전히 상쇄되지 않는다. 따라서 적어도 방해 잡음이 발생하는 자계의 장소에 의한 변화에 대해서 충분히 선을 꼰다든가, 혹은 그 방해에 의한 자계가 이 전선의 전 길이 방향에 걸쳐서 반복해서 일어나 결과적으로 상쇄한다는 것이다.

트위스트선에 의한 자기장 저감의 개념은 도19a에 나타낸 것처럼 화살표 ↗로 그린 자속에 의한 유도전압이 화살표 의 방향으로 유기되고, 인접한 구간에서 서로 상쇄되는 것이다.

또한, 도19b에 나타낸 것처럼 선에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자속은 인접한 구간에서 서로 상쇄되어 외부로 자계를 방출시키지 않는다. 또한, 선꼬임의 밀도를 높여감으로써 자속 쇄고 면적이 작게 되고, 결합되는 노이즈도 저감된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치는, 상,하층부의 탄소 발열체에 흐르는 전류의 서로 다른 방향에 의해 자기장이 서로 상쇄되면서 소멸되고, 전기장은 상부의 전기장 차폐층에서 흡수된 후, 접지부를 통하여 소멸되게 되며, 또한 트위스트 페어선을 이용함으로써 2차로 발생될 수 있는 제2차 전자기장의 발생을 방지할 수 있다. 즉 본 발명에 의하면, 비교적 넓은 면적을 갖는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트에서 발생하는 자기장 및 전기장을 거의 완벽하게 차폐할 수 있다. 따라서 전자기장의 누설로 인한 사용자의 피로나 신체의 이상을 일소시킬 수 있을 뿐만 아니라 주변의 전자 기기에 미치는 영향을 극소화시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명에 의한 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치를 실시하기 위한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 탄소 발열체를 상,하층으로 분리함과 아울러 이들 상,하층 탄소 발열체 사이에 절연층을 개재하여 적층하고, 상,하층 탄소 발열체의 전원을 직렬로 연결하여 상층 탄소 발열체와 하층 탄소 발열체에 서로 다른 방향의 전류가 흐르도록 함으로써 각각의 탄소 발열체에서 발생되는 전기장 및 자기장이 상쇄 소멸하도록 한 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 상,하층 탄소 발열체의 상,하부에 제2 및 제3의 절연층이 각각 설치되어 탄소 발열체가 절연 독립되도록 한 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상층 탄소 발열체의 상부에 도전성 물질로 이루어지는 전기장 차폐층을 설치하고, 이 전기장 차폐층을 접지시킨 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 전기장 차폐층의 접지는 자동접지회로인 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
5. 제1항에 있어서, 탄소 발열체의 전원 공급선 및 회로 연결선은 제2차 전자기장이 발생되는 것을 방지할 수 있는 트위스트 페어 선인 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
6. 탄소 발열체의 상,하부에 절연층을 각각 설치하여 절연시키고, 절연된 탄소 발열체의 상부에 고투자율 물질로 이루어지는 전기장 차폐층을 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 전기장 차폐층에 접지단자를 설치하고, 이를 자동접지회로에 접지시켜 전기장 및 자기장을 차폐, 소멸시키도록 한 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
8. 탄소 발열체의 상,하부에 절연층을 개재하여 도전성 물질로 이루어지는 실드층을 각각 설치하고, 상기 상,하 실드층과 탄소 발열체에 전원을 연결하여 탄소 발열체에서 발생하는 자기장을 차폐하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 상부 실드층에 도전성 물질로 이루어지는 전기장 차폐층을 절연층의 개재하에 설치하고, 이 전기장 차폐층에 접지단자를 형성하여 자동접지회로에 접지시킨 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 발열체의 전원 공급선 및 회로 연결선은 제2차 전자기장이 발생되는 것을 방지할 수 있는 트위스트 페어 선인 것을 특징으로 하는 탄소 발열체 및 발열 콘크리트 전자기장 차폐장치.